冶金機械模具三維仿真系統開發研究

范英銘

（南京交通職業技術學院 軌道交通學院，江蘇 南京 211188）

計算機三維仿真技術結合了多種學科理論，其中包括數學、幾何學、計算機科學等，以此為理論基礎，通過計算機軟件編程和硬件操控將現實引入到虛擬三維空間中。隨著工業生產要求的增高，既要保證生產質量同時還要求提高生產效率，特別是冶金機械模具的生產加工[1]。所以提出將三維仿真技術應用到冶金機械模具加工中，開發出冶金機械模具三維仿真系統，實現高精度、高效率的冶金機械模具生產，為工業產業提供技術支持。

1 冶金機械模具三維仿真系統設計

1.1 硬件設計

冶金機械模具三維仿真系統的硬件設計主要由運動控制器和計算機組成，傳統的冶金機械模具系統的硬件設備裝置僅靠計算機完成，導致在實際冶金機械生產過程中計算機在運行處理時會產生一定的功效差，所以為了解決這一問題，在冶金機械模具三維仿真系統硬件設計中加入了運動控制器。在計算機的內部擴展槽中安置一個運動控制板，將運動控制器插入到運動控制板上，借助其控制功能起到對系統核心的整體實時控制，實現冶金機械模具三維仿真系統在控制生產過程中具有靈活性、穩定性以及可靠性，保證冶金機械生產的精度。

運動控制器是冶金機械模具三維仿真系統的核心硬件設備，此次采用TMS310C24微處理芯片型號的MTC5000S9運動控制器，主要作用是實時監控PC主機所有執行的應用程序。在冶金機械模具三維仿真系統中，運動控制器能夠獨立處理PC主機的IO信號，直接遠程控制冶金機械模具的生產，使冶金機械模具加工能夠不間斷地進行，在一些高速高精度的冶金機械模具加工中，要求冶金機械模具三維仿真系統要在極短的時間內完成高準度的對各個軸承反饋信號處理，此時可以利用運動控制器對生產軸承、刀具的磨損狀況進行實時監控和自動補償[2]。同時運動控制器還具有非控制功能，系統本身是無法對冶金機械模具的生產狀態實時監控的，利用運控控制器即使是在系統關閉狀態，通過上位機通信，自動執行數字濾波和數據總線的控制協議，實現在無計算機控制狀態下執行冶金機械模具生產。

計算機在冶金機械模具三維仿真系統中主要用于冶金機械模具代碼的預處理以及刀具軌跡三維仿真，其中模具代碼預處理內容包括代碼自動編輯、翻譯以及刀具補償運算等，而刀具軌跡三維仿真包括刀具直線與直線轉接軌跡三維仿真、直線與圓弧轉接三維仿真、圓弧與直線轉接三維仿真以及圓弧與圓弧轉接三維仿真，下圖是計算機四種刀具三維仿真軌跡圖。

圖1 計算機刀具軌跡三維仿真圖

計算機對冶金機械模具進行實時監控的關鍵在于與運動控制器之間的數據傳送機制。計算機可以隨時讀取到運動控制器的儲存數據，無論運動控制器是運行狀態還是非運行狀態。由于運動控制器對數據接收具有零等待周期特性，所以只要計算機傳送到運動控制器就會立即響應操作指令，計算機只需要把運動控制器反饋回來的數據進行刀具軌跡三維仿真即可[3]。計算機向運動控制器傳送最多也是最重要的數據就是預處理的代碼。向運動控制器傳送預處理代碼主要分為兩種情況，①用戶需要生產新的冶金機械模具時，將新的模具加工程序安裝到計算機內，計算機將這些加工程序代碼傳到運動控制器內存中，用戶只需要按下計算機自動加工的啟動程序即可。②當運動控制器內存中的冶金機械模具加工數據已經執行完畢時，需要向計算機申請一批新的加工數據。

1.2 軟件設計

冶金機械模具三維仿真系統實現在虛擬三維空間內進行冶金機械模具的生產加工，其主要是由特有的軟件技術完成的，此次選用插補算法實現系統的軟件設計。插補算法主要是在冶金機械模具加工過程中，系統運用插補算法編程零件加工程序，實現指導實際冶金機械模具生產[4]。在實際冶金機械模具加工時，刀具是按照系統提供的刀具中心軌跡與工件做相對運動，而且實際刀具具有一定的半徑，刀具在做削切運動時所形成的運動軌跡并不是冶金機械的輪廓線，而是由刀具與工具做相對運動時發生偏移所產生的半徑值構成，所以運用插補算法根據冶金機械模具輪廓信息與所用到的刀具半徑，計算出實際的刀具中心軌跡半徑值。在冶金機械模具三維仿真系統中刀具運行軌跡主要是由直線和圓弧組成，所以在插補算法中分別設計了直線插補算法和圓弧插補算法。

直線插補算法是根據系統程序要求的刀具進給速度，將規定的冶金機械模具輪廓直線部分進行平均分割，形成插補周期相等的進給段，對每個直線插補周期運用直線插補算法執行一次運算，計算出刀具插補點的三維坐標，進而推算出下一個插補周期的進給量，通過計算機定時對刀具插補點的實際位置采取，將其與插補算法得出的指令位置進行比較，從而得出系統刀具插補誤差，最后再根據誤差數據對系統進行控制，逐漸消除誤差提高系統的加工精度[5]。假設在虛擬三維空間內刀具起點O坐標終點E坐標（），動點N坐標刀具的進給速度位T，插補周期為S，則第一個插補周期的直線長度L的計算公式為：

插補周期內的動點坐標位置為：

圓弧插補算法要比直線插補算法復雜，當通過直線插補算法指導刀具軌跡運動到圓弧起點位置P后，以P作為系統的三維坐標原點，假設圓弧的圓心O在P坐標系中的坐標為（x,y），PO與X軸的產生的夾角為β，圓弧半徑為R，圓弧角度為?，當圓弧插補算法控制動點G做運動時，與X軸正半軸產生的夾角為，則：

插補算法實現：如要實現通過插補算法計算出刀具動點三維坐標，首先需要在系統中插入一個判斷語句，指導計算機要使用直線插補算法還是圓弧插補算法。根據兩種插補算法將刀具運動軌跡類型分為三種：縮短型、延長型和導入型。下表為各種情況下刀具運動形式類別表。

表1 各種情況下刀具運動形式類別表

其代碼如下：

if NCCode{x,y}="G41" // 右刀補

mycutting:=1；

if NCCode{x,y}="G42" // 左刀補

mycutting:=-1；

if NCCode{x,y}="G40" // 取消刀補

然后冶金機械模具三維仿真系統根據用戶輸入的刀補參數獲取刀補數值，代碼如下：

if copy( NCCode{x,y})="D"then// 獲取刀補數值

begin

if mycutting.tool=1 then

mycutting=-offset R{x,y}

end

最后冶金機械模具三維仿真系統根據不同的轉接類型帶去插補算法公式計算出新的動點三維坐標即可。

2 實驗

為了證明此次設計的冶金機械模具三維仿真系統的實用性，將其與原有冶金機械模具系統進行一組對比實驗，驗證冶金機械模具三維仿真系統的加工效率。

2.1 實驗過程

選取一個有直線、圓弧加工要求的冶金機械模具，模具圖紙如圖2所示。

圖2 冶金機械模具圖

選取直徑為15mm的DZ3000切割刀具，模具毛坯的高為500mm、長為600mm，選擇TKBZ立式機床作為模具加工機床，兩組系統的冶金機械模式加工任務為1000個，加工時間限定為4小時，最后檢驗每個系統的加工效率。

2.2 結果分析

將原有系統用系統1表示，冶金機械模具三維仿真系統用系統2表示，下表為兩種系統此次實驗結果。

表2 兩種系統實驗結果

從上表可以看出，四小時后，通過冶金機械模具三維仿真系統操作運行，僅差20個生產量沒有完成，基本能完成冶金機械模具生產要求；而原有系統在四小時后還有280個任務量沒有完成，其加工效率遠遠不及此次設計的系統，證明了冶金機械模具三維仿真系統具有可行性，并且具有較高的加工效率，滿足冶金機械模具生產需求。

3 結束語

冶金機械模具三維仿真系統是首次提出將運動控制器與計算機結合，應用到模具加工中，并且打破原有軟件算法，利用插補算法減小了系統的控制誤差，不光適用于冶金機械模具加工，對其他模具加工也具有較高的應用價值。